模电第三章

+4 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共
用电子对
+4
+4
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个， 构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
5 杂质半导体
（2）恒压降模型 （3）折线模型
（a）V-I特性 （b）电路模型
（a）V-I特性 （b）电路模型
（4）小信号模型 过Q点的切线可以等效成
一个微变电阻
vD 即 rd iD 根据 i I (evD /VT 1) D S
得Q点处的微变电导
（a）V-I特性
（b）电路模型
diD gd dvD
3.1 半导体器件的基本知识
3.2 PN结的形成及特性 3.3 二极管 3.4 二极管的基本电路及分析方法 3.5 特殊二极管
3.1 半导体器件的基本知识
1、物质分类
导 体：电阻率为10-6－ 10-3 Ωcm; 半导体：电阻率为10-3－ 108 Ωcm; 绝缘体：电阻率为108－ 1020 Ωcm;
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，
也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也
称为（空穴半导体）。
N型半导体：掺入＋5价元素，杂质半导体中自由电 子数量大于空穴数量，电子为多数载流子，空穴为 少数载流子，以自己电子导电为主。
F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 － － － － － － － － － － + + + + + + + + + +
正向电流 + －
－
+
内电场 E
EW
R
(2)
加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场→耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I
(2) 反向特性
当V＜0时，即处于反向特性区域。 反向区也分两个区域： 当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本 不随反向电压的变化而变化，此时的反向电 流也称反向饱和电流IS 。 当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称 为反向击穿电压 。
3.3.3 二极管的参数
二极管的参数包括最大整流电流 I F 、反 向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反 向电流 I R 、 最高工作频率 f max 和结电容 C j 等 。几个主要的参数介绍如下： 二极管反向电流
N 型半导体
+ +
+ + + + + +
+
+ + +
+ + + + + + + + + + + +
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
漂移运动
P型半导体
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － +
内电场E
N 型半导体
硅二极管2CP10的V-I 特 性
锗二极管2AP15的V-I 特 性
(1) 正向特性
当V＞0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：
当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区 电压或开启电压。 当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规 律增长。 硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右 硅二极管的导通电压VD=0.7 V左右 锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右 锗二极管的导通电压VD=0.3 V左右
(1) 点接触型二极管—
二极管的结构示意图
(a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。 (b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 二极管的结构示意图
式中IS 为反向饱和电流，VD 3.3.2 二极管的伏安特性曲线 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为 iD IS (evD /VT 1) 玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量 ，T 为热力学温度。对于室温（ 相当T=300 K），则有VT=26 mV 。
多余 电子
+4 +5
Leabharlann Baidu+4
1.由磷原子提供的 电子，浓度与磷原 子相同。
磷原子
+4
2.本征半导体中 成对产生的电子 和空穴。
N型半导体自由电子称为多数载流子（多子），空穴 称为少数载流子（少子）。
P型半导体：掺入＋3价元素，杂质半导体中空穴数 量大于自由电子数量，空穴为多数载流子，自己电 子为少数载流子，以空穴导电为主。 半导体原子形成共价键时， 空穴 产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的 电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流 。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的 附近，所以正偏时结电容较大。
当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电 流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓 度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。
Q
I S vD /VT e VT
Q
iD VT
Q
I D VT
则 rd
1 VT gd I D
常温下（T=300K） rd
VT 26(mV ) I D I D (mA )
（4）小信号模型
（a）V-I特性
（b）电路模型
特别注意： 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。
该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT 。
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
2．模型分析法应用举例
2、半导体特点
热敏性：温度升高时，其电阻率迅速下降； 光敏性：光线变化时，其电阻率立刻变化； 掺杂性：在纯净的半导体（本征半导体）中掺入其他 微量元素（杂质半导体），其电阻率迅速下降；
3、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
硅和锗的共价键结构
4、本征半导体的导电机理 载流子、自由电子和空穴
在没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚 着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即 载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
内电场越强，漂移运动 越强，而漂移使空间电 荷区变薄。
漂移运动 内电场E
P 型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
(3) 反向电流IR
在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大 反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向 电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 (4) 正向压降VF
在规定的正向电流下，二极管的正向电压 降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水 平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。 (5) 动态电阻rd
3.3 二极管
3.3.1 二极管的结构类型 3.3.2 二极管的伏安特性曲线 3.3.3 二极管的参数
3.3.1 二极管的结构类型
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面 PN结面积小，结电容小， 型三大类。它们的结构示意图如图 02.11所示。
用于检波和变频等高频电路。
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 iD IS (evD VT 1 分段线性化，得到二极管 ) 特性的等效模型。 （1）理想模型
（a）V-I特性
（b）代表符号
（c）正向偏置时的电路模型
（d）反向偏置时的电路模型
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
+4
+4
+3
+4
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
3.2 PN结的形成及特性
一、PN结的形成
二、PN结的单向导电性
三、PN结的电容效应 四、PN结的反向击穿特性
一、 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导 体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
+ + + + +
+ + + + + + + + +
+
+ +
+ +
+ + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
二、 PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I
三、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。 一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的 厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷 量也随之变化，犹如电容的充放电，反偏时由于结 电阻大因此作用较大。
四、PN结的反向击穿特性
当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流 将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此 现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：


雪崩击穿：当反向电压足够高时（U>6V） PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子 加速，与中性原子相碰，使之价电子受激 发产生新的电子空穴对，又被加速，而形 成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤 增。 齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结 的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压 （U<4V），耗尽层可获得很大的场强，足 以将价电子从共价键中拉出来，而获得更 多的电子空穴对，使反向电流骤增。
解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的 V -I
特性曲线。
例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源 VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。
解：由电路的KVL方程，可得 iD VDD v D R 1 1 即 iD vD VDD 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 R R Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点
反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。 显然， rd与工作电流的大小有关，即 rd =VF /IF
3.4
二极管基本电路及分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采 用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图
P
R
空 间 电 荷 区
N
－ － － 在一定的温度下， － － － 由本征激发产生的少子浓
－ －
+ + +
+ + +
+ + +
+ + + IR
度是一定的，故－ IR基本上与 － － － 外加反压的大小无关，所 以称为反向饱和电流。但IR
内电场 E
与温度有关。
EW
R
PN结加正向电压时，具有较大的正 向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反 向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向 导电性。
二极管长期连续工 急剧增加时对应的反向 作时，允许通过二 (1) 最大整流电流IF—— 电压值称为反向击穿 极管的最大整流 电压VBR。 电流的平均值。 (2) 反向击穿电压V
BR———
和最大反向工作电压VRM 为安全计，在实际
工作时，最大反向工作电压 VRM一般只按反向击穿电压 VBR的一半计算。